جاذبـيـة الأرض
يعود الفضل إلى اسحق نيوتُن Issac Newton في إطلاق الصفة الشمولية للتجـاذبوفي صياغة قانون التجاذب العالمي الذي يصف حركة الأجرام السماوية. و كان أول من فسر ذلك بجذب الأرض للأجسام . لكن لماذا تجذب الأرض ما على سطحها ولا تجذب غيرها من الأجرام العلوية ؟ سأل نيوتن نفسه هذا السؤال ، ونظر في أمر القمر والأرض ، فوجد بالحساب أن القمر منجذب إلى الأرض انجذاب ما على سطحها إليها ، وأن ما هناك من فرق بين الإنجذابين راجع إلى ما بين القمر والأرض من مسافة ، وأن انجذاب القمر إلى الأرض هو سر دورانه حولها . وقبل نيوتن أثبت كوبرنيك Kopernik أن الأرض تدور حول الشمس وأن الكواكب السيارة تدور حول الشمس كذلك ، لكنه كان يظن أنها تدور حول الشمس في دوائر ، حتى جاء كبلر Kepler فأثبت أنها تدور حول الشمس بصورة مخصصة في قطوع ناقصة ، أي في مدارات بيضاوية ، الشمس في مركز خاص داخلها . فلما جاء نيوتن أثبت بالحساب أن تلك الصورةالتي تدور بها الكواكب السيارة ، ومنها الأرض ، حول الشمس لا يمكن أن تكون إلا إذا كان بين الشمس والكوكب تجاذبعلى الخط الواصل بين مركزيهما . أي إنه أثبت بحقائق الفلك انجذاب الأرض وبقية السيارات إلى الشمس ، كما أثبت انجذاب القمر إلى الأرض ، بقوة خاصة متوقفة على مقدار ما في الكوكبين المتجاذبين من مادة وعلى مقدار المسافة التي بينهما . ثم نظر في الجاذبية هذه وتساءل أهي خاصة بالأجسام الكبيرة أم تكون بين الأجسام الصغيرة أيضاً فتكون من خواص المادة نفسها لا من خواص الكتل الكبيرة منها ؟ فأنتهى به النظر الحسابي الدقيق إلى الحقائق التالية :

أهـمـية الجاذبية في الكون
: إن الإنسان لا يكاد يستطيع أن يتصور كيف كانت تكون الحياة على الأرض لو لم تكن هناك جاذبية بين الأرض وبين ما عليها ، فلولا الجاذبية ما كان للأجسام على الأرض وزن ، ولطارت هذه الأجسام عن الأرض بالحركة ثم لم تعد إليها من بعد . فلولا جذب الأرض الهواء الجوي مثلاً لفارقها لشدة حركة جزيئاته ، ولصارت الأرض في النهاية لا هواء فيها ولا جو لها ، و لانعدمت الحياة على سطح الأرض بانعدام الهواء كما انعدمت على سطح القمر . ( صورة 151 طاقة التقلص بالتجاذب : تطلق كتلة تخضع لقوة الجاذبية في جرم سماوي طاقة ملحوظة تؤدي إلى ارتفاع درجة حرارتها. وتتضح هذه الطاقة بتمدد الحجم أو تقلصه وبتغير درجة الحرارة . تبرد بالتمدد ، وتسخن بالتقلص. وهي حقائق تكشفها لنا أجهزة التحليل الطيفي بدقة ) . وجذب الأرض هو الذي ينزل الله عز وجل به المطر من السحاب وإلا لما عاد الماء إلى الأرض أبداً بعد أن يفارقها متبحراً بحرارة الشمس ، ولفارقها بخاراً مع الهواء ، ولجفت جميع المياه من على الأرض في النهاية فلا يكون عليها بحر ولا نهر ، ولانعدمت فيها الحياة بانعدام الماء . وكما سخر الله سبحانه وتعالى الجاذبية للإنسان في إجراء الأنهار إلى سطح البحر ، سخرها له أيضاً في كبح جماح البحر ومنعه أن يطغى بمائه الأجاج على النهر أو على اليابسة ، فهي دائماً تحبسه في مستقره الذي هو أقرب مواطنسطح الأرض إلى مركز الأرض ، فكلما همَّ البحربالهجوم بفعل المـد أو الريح أو حركة الأرض جذبته قدرة الله الباري جلت قدرته بلجام الجاذبية يبقى مقيداً بقيد الجاذبية فيه : "هو الذي مرج البحرين ، هذا عذب فرات وهذا ملح أجاج ، وجعل بينهما برزخاً وحجراً محجوراً" .
الدليل المباشر على دوران الأرض
: هناك دليلان على دوران الأرض . أما أولهما فيعود اكتشافه إلى غاليلو Galileo العالم الإيطالي المشهور الذي لاحظ أن الأجسام الساقطة تنحرف إلى الشرق . وأما الثاني فقد اكتشفه فوكلت Foucault بملاحظة دوران بطئ في مستوى اهتزاز نواس Pendulum . وقد تقدم فوكلت بتفسير هذه الظاهرة عام 1851 ، وأجرى تجربة عملية في مبنى مقبرة العظماء المعروف بإسم مبنى البانثبون Pantheon بباريس ، فعلق بقبته نواساً طوله 67 متراً، ولاحظ دوران مستوى النوسان تسعين درجة خلال ثماني ساعات تقريباً . وهو ما تنبأ بـه نظرياً تماماً . ولقد أوضحت تجربة فوكلت أن الأرض تسلك سلوك منصة معلقة تدور في الفضاءدعنا ننظر في نواس يهتز عند القطب . فإذا كانت الأرض تدور دورة كاملة خلال أربع وعشرين ساعةفإن الراصد سيجد أن مستوى النوسان يدور 360ْ خلال هذه الفترة . وإذا افترضنا أن النواس يهتز عند خط الإستواء equator ، فإن الراصد لن يلاحظ أي تغير في مستوى النوسان ، ذلك أن الجملة كلها ، أي الأرض والنواس ، ستجر بدوران الأرض. وفي وضع متوسط بين خط الاستواء والقطب بدور مستوى النوسان بسرعات مختلفة تتزايد كلما اقتربنا من القطب .
سقوط الأجسام
: إذا سقط جسم من مكان قريب من سطح الأرض ، وفي حيز خالٍ من الهواء ، تحرك الجسم على خط مستقيم بتسارع ثابت . وإذا كانت سرعة الجسم الابتدائية صفـراً فإنه يبلغ بعد زمن معين سرعة تساوي جداء التسارع الأرضي بهذا الزمن . ويمكننا إيجاد السرعة أيضاً بأخذ الجذر التربيعي لضعفي التسارع الأرضي بالمسافة التي قطعها الجسم أثناء سقوطه . أما إذا كان للجسم الساقط سرعة بدئية فإن سرعته بعد زمن معين تساوي مجموع سرعته البدئية مع جداء ( التسارع الأرضي بزمن السقوط ) . ويمكننا إيجاد هذه السرعة أيضاً بحساب الجدر التربيعي لمجموع مربع سرعته الابتدائية مع ( ضعفي التسارع الأرضي مضروباً بالمسافة التي يسقطها الجسم ) . نفترض أننا قذفنا جسماً باتجاه قائم بسرعة ابتدائية س . ولنفترض أن الحركة تتم في الخلاء vacuum . فإذا غضضنا النظر عن قوة الجاذبية فإن الجسم سيتحرك بفضل العطالة حركة خطية مستقيمة باتجاه قائم بالسرعة سالتي بدأ بها . إلا أن قوة الجاذبية ستكسب الجسم تسارعاًجموجهاً للأسفل ، أي بإتجاه يعاكس س. وإذا كان الجسم قريباً من سطح الأرض أمكننا اعتبار جثابتة . ولذا فإن حركة الجسم ستكون حركة خطية متباطئة بانتظام وبسرعة بدئية قدرها س. وواضح أنه إذا بلغ الجسم أعلى ارتفاع فإن اتجاه حركته سينعكس ، وسيرسم الجسم المسار الذي سلكه في الصعود ، ولكن باتجاه معاكس . وستكون حركته مماثلة لحركة جسم يسقط سقوطاً حراً بلا سرعة ابتدائية . وتجدر الإشارة إلى أن زمن عودة الجسم من أعلى نقطة بلغها إلى النقطة التي انطلق منها سيساوي زمن الصعود ، كما أن قيمة سرعته العددية ستساوي سرعة قذفه .
تعيين ثابتة التجاذب العالمي
إن تعيين ثابتة التجاذب العالمي تجريبياً يتطلب دقة فائقة . وقد تمكن العالم الإنجليزي كفنديش من قياس هذا الثابت باستخدام ميزان الفتل (انظر الشكل ) الذي يبين ميزان فتل صممه عالم الفيزياء بويز لقياس ثابتة التجاذب العالمي بدقة وهو يتألف من كرتين ( A) و ( B) من معدن ثمين لا يحتوي على الفولاذ ولا تتعدى كتلة الكرة الواحدة فيه بضعة غرامات .
تغلق هذه الكرات الأربع على النحو المبين في الشكل وتبدأ التجربة بوضع الكرات في مكان معزول لا تخضع فيه إلى جذب يذكر من الأرض ثم تقرب كرتان رصاصيتان ثقيلتان (MA) و (MB) تدريجياً من الكرات الصغيرة ، فتخضع هذه لقوة الجذب الثقالية . إن الوضع الهندسي للكرتين الثقيلتين يسبب دروان ميزان الفتل . ويتوقف الميزان عن الدوران عندما تتوقف مزدوجة التدوير الناشئة عن الجذب الثقالي بين الكرات مع مزدوجة معاكسة يولدها سلك التعليق في الميزان . وطبيعي أنه يمكننا معايرة هذه المزدوجة المعاكسة بحيث نعلم القيمة المقابلة لكل زاوية دوران لميزان الفتل .
قـوانـيـن كبلـر
: تصف قوانين كبلر حركة جسم خاضع لقوة تجاذبية من قبل جسم آخر . إن تطبيق قوانين كبلر على حركة الكواكب يقودنا إلى نتائج تقريبية . ذلك أن أي كوكب منها لا يخضع لجذب الشمس فحسب، بل يخضع أيضاً لجذب الكواكب الأخرى له .
قوانين كبلر وهي:
: 1 – يرسم كل كوكب مساراً إهليجياً حول الشمس التي تحتل إحدى بؤرتيه ولا تكاد تختلف هذه الإهليجات التي ترسمها الكواكب المختلفة عن الدوائر إلا قليلاً ، ما دعا كوبرنيك الذي سبق كبلر إلى عد هذه المسارات جميعاً دائرية. ونميز في المسار الإهليجي موضعين : يسمى الأول منهما موضع الأوج ، وهو أبعد نقطة يبلغها الكوكب على المسار. ويسمى الثاني موضع الحضيض ، وهو أقرب موضع للكوكب من الشمس . 2 – إن الخط الواصل بين الكوكب والشمس يقطع من القطع الناقص مساحات متناسبة مع الزمن. أي إن الكوكب يتحرك بسرعة أقل عند الأوج من السرعة التي يتحرك بها عند الحضيض .
وبعبارة أخرى : إن المسافة التي يقطعها الكوكب عندما يكون قريباً من موضع الأوج خلال زمن ما هي أقل من المسافة التي يقطعها خلال نفس الزمن عندما يكون قريباً من موضع الحضيض . 3 – إن النسبة بين مربع الزمن الذي يحتاج إليه كوكب ما كي يرسم دورة كاملة حول الشمس وبين مكعب نصف القطر الكبير لمساره الإهليجي تساوي النسبة المقابلة لسائر الكواكب.
تجربة كافيندش لقياس ثابت الجذب العام:
بعد أن وضع العالم اسحاق نيوتن قانونه المعروف بقانون نيوتن للجذب العام والذي ينص على أن
"كل جسمين ماديين يتجاذبان بقوة تتناسب طرديا مع حاصل ضرب كتلتيهما وعكسيا مع مربع السافة بين مركزيهما "
وجميعنا يعلم ان اي علامة تناسب بامكاننا التخلي عنها وذلك بوضع اشارة المساواة مع ثابت نسميه بثابت التناسب
وضع نيوتن ثابت التناسب هذا وسماه بثابت الجذب العام (اطلق علليه فيما بعد بثابت نيوتن ) ولكنه لم يهتم كثيرا بحساب هذا الثابت لسببين رئيسيين وهما:
1- انه اعتقد ان ثابت التجاذب بين جسمين ماديين ساكنيين ضعيفة جدا بشكل يجعل منه غير محسوس وصعب القياس
2- ان اي تجاذب في ظل وجود قوة جذب الارض الكبيرة للاجسام سيكون غير عملي.

الا انه في منتصف القرن الثامن عشر الميلادي حاول مجموعه من العلماء قياس وزن الارض بمراقبة قوة الجذب المؤثرة على كتلة اختبار موضوعة بالقرب من أحد الجبال الضخمة , لكن هذا الجهد قد باء بالفشل بسبب نقص المعلومات عن تركيب و كثافة الصخور المكونه لهذا الجبل. تعتبر تجربة العالم هنري كافندش أول تجربة فيزيائية لقياس ثابت الجذب العام بدقة عن طريق قياس قوة الجذب بين كتلتين في المختبر.

تجربة كافندش
في البداية دعونا نتحدث عن مبدأ عمل الجهاز الذي استخدمه كافندش،، وكولوم من قبله،، وهو نابض اللي، وهو عبارة عن مادة لدنة تستجيب نتيجة الجدل او الفتل..ومن ناحية عملية،،فإن الفتل أكثر يعني، قوة اكبر مؤثرة سببت هذا الفتل...نابض اللي يصنع عادة من سلك او ملف..
نابض اللي بصورة مبسطة هو عبارة عن ملف قابل للفتل نتيجة قوة خارجية تؤثر عليه،،مما يؤدي الى تخزين الطاقة فيه...

الآن ،،تم استخدام نابض اللي في عمل ميزان اللي لأول مرة من قبل العالم الكبير كولوم...
الآن،، ما الذي فعله كولوم؟
ميزان اللي هو جهاز استخدمه شارل اوجستين كولوم عام 1771، وذلك لقياس القوى الضعيفة جدا..استخدم كولوم ميزان اللي لقياس القوة الكهربائية الساكنة المتبادلة بين شحنتين..
الميزان الذي استخدمه كان مكونا من كرتين معدنيتين مربوطتين بنهايتي قضيب عازل معلق من منتصفه بسلك ليفي رفيع.
لقياس القوة الكهربائية المتبادلة بين الكرتين ، قام بشحن كرة أحد الكرات بشحنة كهربائية،،،ثم قرب منهما كرة ثالثة مشحونة بذات شحنة الكرة الاخيرة،،تتنافر الكرتان بالتالي فيلتف السلك،،او يفتل بزاوية معينة..
لو استطعنا حساب القوة التي سببت فتل السلك بتلك الزاوية،،استطعنا عندها حساب قوة التنافر الكهربائي التي اثرت في الاصل على السلك وفتلته..
استخدام ميزان اللي لحساب ثابت كولوم كان اسهل بكثير من استخدامه لحساب ثابت الجاذبية..
دعونا معا،،كانت تجربة كافندش هي اول تجربة في الفيزياء لحساب ثابت الجذب العام الذي تحدث عنه نيوتن ولم يفكر في حسابه ...صممت التجربة في الاساس لحساب النسبة المتوسطة بين كثافة الارض والماء..التجربة الاصلية صممت من قبل جون ميشتل، لكنه توفي قبل ان يكمل الجهاز ويبدأ العمل،بعد وفاته في 1793 انتقل الجهاز ومخطط العمل الى فرانسيس ولاستون الذي سلمه الى هنري كافندش وطلب منه ما بدأه العالم ميتشل.
قام كافندش بإعادة بناء الجهاز وتصميمه الا انه ظل محتفظا وقريبا من الخطوط الرئيسية التي رسمها ميتشل،وقام بسلسلة من التجارب الدقيقة على هذا الجهاز عام 1798.. الجهاز كما هو موضح في الصور المرفقة مكون من كرتين وزن كل منهما 156 كغم( لاحظوا مقدار الكتل) مربوطتين كما قلنا بسلك ليفي رفيع،ولتجنب تدخل أي مؤثر خارجي مثل الهواء قام بوضع الجاهز تصميمه في سقيفة منزله المغلقة بعيدا عن كل التيارات الهوائية..

الآن لا يوجد شيء يؤثر على الكرتين الثقيلتين الا قوة الجاذبية،،باستخدام منظار دقيق قام بقياس مقدار الفتل في الخيط ( حدد زاوية الفتل او الانحراف)، وبمعرفة كتلة كل من الكرتين،،ومقدار زاوية الفتل، تمكن كافندش من قياس ثابت الجاذبية( طبعا هم يعرفون ان القوة تتناسب طرديا مع حاصل ضرب الكتلتين وعكسيا مع مربع المسافة،،هذا قانون نيوتن)..
وقد استخدمت التجربة أيضا لقياس كتلة الأرض لأول مرة في الفيزياء..